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從微觀物理過程理解導體的導電性

電荷在電壓的驅動下定向移動形成電流,電荷在介質中運動受到的阻礙就叫做電阻。1826年,德國的物理學家歐姆用他發(fā)明的儀器證明對于外形固定的導電介質,其兩端電勢差(電壓)和通過的電流大小成正比,即呈歐姆定律關系:U=IR。因此人們把電阻定義為通電介質兩端的電壓與其通過的電流之比,即R=U/I。為了紀念歐姆的貢獻,電阻的單位被命名為歐姆,為希臘字母Ω。

電荷在介質中運動會受到各種阻礙,比如材料內部原子的熱振動、材料中的雜質和缺陷、材料內部的磁性結構等等。不同材料內部原子類型和排列方式多種多樣,這將導致它們的電阻率不同。此外,外部環(huán)境如溫度、壓力、磁場等也會改變料內部的電子態(tài),使得材料的電阻率發(fā)生變化。根據(jù)材料電阻率從大到小,可以劃分為絕緣體、半導體、導體和超導體。常見的絕緣體有玻璃、橡膠、陶瓷、塑料等。干燥的大氣一般也是絕緣體,但是雷雨天氣下空氣濕度很大,其中含有的正負離子也比較多,這時的空氣經是導體了,在云層高壓作用下可以產生閃電。因此,如果單純用電阻率大小來劃分的話,絕緣體和半導體、半導體和導體之間的界限并不是十分明確。

區(qū)分導電介質的類型還可以通過電阻率隨溫度變化的行為來判斷:隨著溫度的降低,到低溫下電阻率迅速增加甚###急劇發(fā)散的一般為絕緣體;低溫下電阻率不斷呈指數(shù)增加的為半導體;電阻率隨溫度下降而逐漸下降###終在低溫下達到飽和值的為導體;當溫度下降到一D程度,電阻率突然降為零的為超導體。

從微觀的物理過程可以簡單地理解如下:絕緣體中可以自由移動的電子非常少,且電子很容易被其他東西束縛住,要擺脫它們的束縛需要付出相當多大能量,因動能減小,溫度越低效應越明顯,因此絕緣體電阻率將會隨溫度降低而迅速增加。對于半導體,其中有一小部分電子可以自由移動,電子在外部電場的驅動下可以略顯艱難地定向移動;對于導體而言,其中含有大量的可以自由移動的電子,一旦外界電場建立形成電勢差,就可以驅動這些電子定向移動形成電流,電子運動過程受到的阻礙主要來自周圍原子熱振動的干擾和材料中的雜質和缺陷等的影響,溫度降低導體的電阻將減小。對于超導體,在比較高的溫度下其中電子運動行為和導體比較類似,但是一旦降到足夠低的溫度,一些電子將會“結伴而行”形成配對的電子對,這些電子對在運動過程中可以相互配合輕松地繞過雜質和缺陷的阻礙或者使它們受到阻礙的效果相互抵消,這樣整體來看電子運動就是暢通無阻的“零電阻”狀態(tài)。

首頁 > 電工基礎 > 日期:2022-6-25 來源:Internet 作者:yq 瀏覽量: